奥迪双小齿轮电动机助力转向系统

一、双小齿轮的电动机助力转向系统简介

1.电动机助力转向装置优点

如图3-19所示为奥迪双小齿轮的电动机助力转向系统。与液压式转向装置相比，电动机械式助力转向装置有很多优点。它可帮助驾驶员减轻体力上和精神上的疲劳程度，通过“按需”方式来实现转向，也就是说，只有当驾驶员需要转向助力时，助力装置才会工作。转向助力取决于车速、转向力矩以及转向角。

2.转向装置的部件

转向装置的部件有：方向盘、转向柱开关（带有转向角传感器G85）、转向柱、转向力矩传感器J269、转向机、电动机械式助力转向电动机V187、助力转向控制单元J500。

3.结构特点

奥迪双小齿轮的电动机助力转向系统（电动机械式助力转向装置）及其各个部件如图3-20所示。电动机械式助力转向装置采用双小齿轮结构，其特点是使用两个小齿轮（转向小齿轮和驱动小齿轮），所需要的转向力借助于这两个小齿轮传到齿条上。转向助力是通过“按需”方式来调节电动机实现的，该系统根据行驶条件为驾驶员提供转向助力（Ser-votronic）。方向盘回到中间位置是通过“主动返回”功能来实现的，这个回位是由电动机械式助力转向装置帮助执行的。这样就使得驾驶员有明显的对中感，且在各种行驶状况下都能保持非常准确的直线行驶。在有侧向风力持续作用或者路面倾斜的情况下，直线行驶校正功能可以产生一个辅助扭矩，以帮助驾驶员将车转至直行行驶状态。

图3-19 奥迪双小齿轮的电动机助力转向系统

图3-20 奥迪双小齿轮的电动机助力转向系统元件

［完成任务］根据图3-20所示，请找出下列元件的位置，找出后在线上打“√”。

转向主动小齿轮：__________；转向力矩传感器J269：__________；助力转向控制单元J500：__________；电动机V187：__________；蜗轮蜗杆机构：__________；传动小齿轮：__________。

4.电控系统

奥迪双小齿轮的电动机助力转向系统电控系统组成如图3-21所示。

图3-21 奥迪双小齿轮的电动机助力转向系统电控系统组成

［完成任务］根据图3-21所示，请写出下列元件的名称。

G28：__________；J248：__________；J527：__________；

G85：__________；J500：__________；G269：__________；

V187：__________；K161：__________；J285：__________；

J533：__________；J104：__________；G44～G47：__________；

［完成任务］根据图3-22所示，请写出下列元件的名称并回答问题。

（1）A：__________；B：__________；G269：__________；

J500：__________；S：__________；V187：__________。

（2）电动机V187和J500间的三条线是什么线？电动机V187和J500间的四条线是什么传感器？什么形式的传感器？____________________。

图3-22 双小齿轮转向系统电路图

5.特性曲线族和特性曲线

转向助力的控制是通过控制单元内永久式程序存储器中的一个特定曲线族来完成的。该存储器中存有多达16种不同的特性曲线族。例如在Golf2004上，就要使用其中的8种特性曲线族来工作。

出厂时根据要求（例如车重）激活相应的特性曲线族，但是在售后服务中，也可以使用VAS5051通过功能“自适应”在“通道1”中激活特性曲线族。例如在更换了控制单元或者更换了转向装置时，就需要进行这样的工作了。

如图3-23所示，我们从Golf2004车所使用的8种特性曲线族中选出一种用于质量较大的车的特性曲线族，再选出一种用于质量较小的车的特性曲线族。一种特性曲线族包括5条不同的特性曲线，它们用于不同的车速（例如0、15km/h、50km/h、100km/h和250km/h）。特性曲线表示在这个车速时，电动机在多大的转向力矩时提供多大的转向助力力矩。

图3-23 永久式程序存储器中的特定曲线族

二、转向过程的工作原理

如图3-24所示为转向过程的工作原理，描述如下。

（1）驾驶员转动方向盘时，转向助力过程就开始了。

（2）方向盘上作用的转动力矩使得转向机中的扭力杆发生扭转，转向力矩传感器G269侦测到这个扭转量，并将这个力矩通知给控制单元J500。

（3）转向角传感器G85送来实际转向角信息；转子转速传感器送来实际转向速度信息。

（4）控制单元根据下列因素来确定出所需要的助力力矩并操纵电动机工作：转向力矩、车速、发动机转速、转向角、转向速度以及控制单元内存储的特性曲线。

（5）转向助力是由第二个小齿轮来完成的，该小齿轮按平行于齿条方向传力，它由一个电动机来驱动。该电动机通过蜗轮蜗杆机构和一个传动小齿轮咬合在齿条上，并传递转向所需要的辅助力。

（6）方向盘上的转向力矩和助力力矩的和就是转向器上用于驱动齿条的力矩。

图3-24 转向过程的工作原理

1）泊车时的转向过程

（1）在泊车时，驾驶员用力转动方向盘。

（2）扭力杆发生扭转，转向力矩传感器G269侦测到这个扭转量，将这个信息通知控制单元J500（此时有一个很大的转向力矩作用在方向盘上）。

（3）转向角传感器G85送来较大的转向角信息；转子转速传感器送来实际转向速度信息。

（4）控制单元根据下列因素确定出需要较大的助力力矩并操纵电动机来工作：较大的转向力矩、车速为零、发动机转速、较大转向角、转向速度以及控制单元内存储的用于车速为零的特性曲线。

（5）在泊车时，第二个小齿轮按平行于齿条方向传递最大的辅助力。

（6）方向盘上的转向力矩和这个最大的助力力矩的和就是泊车时转向器上用于驱动齿条的力矩。

2）城市循环行驶时的转向过程

（1）在城市道路上行驶中，遇弯道时驾驶员转动方向盘。

（2）扭力杆发生扭转，转向力矩传感器G269侦测到这个扭转量，将这个信息通知给控制单元J500（此时有一个中等的转向力矩作用在方向盘上）。

（3）转向角传感器G85送来中等的转向角信息；转子转速传感器送来实际转向速度信息。

（4）控制单元根据下列因素确定出需要中等的助力力矩并操纵电动机来工作：中等的转向力矩、车速为50km/h、发动机转速、中等转向角、转向速度以及控制单元内存储的用于车速为50km/h的特性曲线。

（5）在转弯时，第二个小齿轮按平行于齿条方向传递中等的辅助力。

（6）方向盘上的转向力矩和这个中等的助力力矩的和就是城市循环转弯时转向器上用于驱动齿条的力矩。

3）高速公路行驶时的转向过程

（1）在变道时，驾驶员轻轻转动方向盘。

（2）扭力杆发生扭转，转向力矩传感器G269侦测到这个扭转量，将这个信息通知给控制单元J500（此时有一个很小的转向力矩作用在方向盘上）。

（3）转向角传感器G85送来很小的转向角信息；转子转速传感器送来实际转向速度信息。

（4）控制单元根据下列因素确定出需要很小的助力力矩或者根本不需要助力力矩并操纵电动机来工作：很小的转向力矩、车速为100km/h、发动机转速、很小的转向角、转向速度以及控制单元内存储的用于车速为100km/h的特性曲线。

（5）在高速公路上行驶时，第二个小齿轮按平行于齿条方向传递很小的辅助力或者根本不传递辅助力。

（6）方向盘上的转向力矩和这个最小的助力力矩的和就是上高速公路上变道时转向器上用于驱动齿条的力矩。

4）主动回位功能

（1）在转弯时，驾驶员减小了转向力矩，扭力杆也就跟着松弛下来了。

（2）根据转向力矩（也包括转向角和转向速度）的降低，计算出一个回位速度规定值。该值同转向角速度进行对比，从而计算出回位力矩。

（3）由于车轮定位参数的原因，在转向车轮上产生一个回位力。由于转向系统和车桥内部的摩擦，这个回位力一般是很小的，不足以将车轮转到直线行驶位置。

（4）通过对转向力矩、车速、发动机转速、转向角、转向速度和控制单元内存储的特性曲线的分析，控制单元就可计算出回位所需要的力矩（由电动机产生）。

（5）启动电动机，于是车轮回到直线行驶位置。

5）直线行驶校正功能

直线行驶校正功能是通过主动回位来实现的，这个过程中产生一个辅助力矩，它将车辆带回到无力矩作用的直线行驶状态。直线行驶校正功能分为短时算法和长时算法两种。长时算法的任务是对长时间偏离直线行驶的情况进行补偿（例如在将夏季轮胎换成旧的冬季轮胎时所出现的情况）；短时算法的任务是对短时间内偏离直线行驶的情况进行校正。

短时算法可以减轻驾驶员的负担，例如在有持续的侧向风作用时，就需要持续地“对抗转向”。当持续的侧向力（例如侧向风）作用到车上时，驾驶员转动方向盘，以便使车辆保持在直线行驶状态。通过对转向力矩、车速、发动机转速、转向角、转向速度和控制单元内存储的特性曲线的分析，控制单元就可计算出直线行驶校正所需要的力矩（由电动机产生）。起动电动机，于是车辆回到直线行驶位置，驾驶员就不再需要进行“对抗转向”。

三、转向装置的机械和电控部分

如图3-25所示为大众双小齿轮式转向系统机械部分，在带有双小齿轮的电动机械式助力转向装置上，所需要的转向力是由转向小齿轮和传动小齿轮传递到齿条上的。转向小齿轮传递驾驶员的转向力矩，传动小齿轮通过蜗轮蜗杆来传递电动机械式助力转向装置电动机所提供的助力力矩。转向机由一个转向力矩传感器、一个扭力杆、一个转向小齿轮/传动小齿轮、一个蜗轮蜗杆机构以及带有控制单元的电动机组成。电动机械式助力转向装置的核心部件是一个齿条，该齿条的两个齿与转向机啮合。带有控制单元和转向助力传感器的电动机布置在第二个小齿轮上。这种结构意味着方向盘和齿条之间是机械连接的，当伺服电动机出现故障时，仍可通过机械方式使车转向。

图3-25 大众双小齿轮式转向系统机械部分

四、转向装置的电气部分

1.转向角传感器G85

转向角传感器G85位于安全气囊的回位环（带有滑环）的后面，在转向柱开关和方向盘之间的转向柱上，如图3-26所示。该传感器通过CAN-数据总线将用于计算转向角的信号传送给转向柱电控单元J527，J527内有用于分析这个信号的电子装置。

图3-26 方向盘转向角传感器的位置

信号中断的影响：如果转向角传感器出现故障，则启动一个应急程序，用一个替代值来取代这个信号，转向助力功能仍保持完全正常状态。指示灯K161亮起表示有故障出现。

如图3-27所示，转向角传感器的基本部件包括编码盘和光耦元件（各有一个光源和一个光电传感器）。编码盘由两个编码环组成，外面的是绝对环，里面的是增量环。增量环划分成5个扇区，每个扇区为72°，光电装置对会读取增量环的信息。编码环的扇区的内部穿有孔，在一个扇区内孔距是相等的，但是不同扇区的孔距是不相等的，这就构成了扇区编码。绝对环确定角度，角度由6个光电装置对读出。转向角传感器能识别1044°的转向角。转向角传感器将角度累加起来，当超过了360°标记时，它就识别出方向盘已经转了整整一圈了。转向机的结构可使方向盘转动2.76圈。

如图3-28所示为方向盘转向角传感器的工作原理示意图，角度的测量采用的是光栅原理。为了简单起见，我们只考虑增量环，在扇环的一侧放一个光源，另一侧放一个光电传感器。如果光通过缝隙照到传感器上，就会产生一个电压信号；如果光源被遮挡了，电压就中断了。如果转动增量环的话，将产生一系列电压信号。与此完全相同，在绝对环上的各光电装置对也产生一系列电压信号。所有的这些电压信号都由转向柱电控单元进行处理。系统通过比较这些信号，就可计算出环已经转动了多少，也就确定了绝对环的起始点。

图3-27 方向盘转向角传感器的两层7对光耦元件位置

图3-28 方向盘转向角传感器的工作原理示意图

2.转向力矩传感器G269

如图3-29所示为磁阻效应式力矩传感器G269，方向盘上作用的力矩是由转向力矩传感器G269直接在转向小齿轮上测得的。G269传感器是根据磁阻效应来工作的。该传感器采用双体（超静定）结构，以最大限度地保证其可靠性。转向柱和转向机在力矩传感器处通过一个扭力杆连在一起。与转向柱相连接的部件上有一个磁电极感应转子，其周围有24个不同的磁极区交替转换。每次用两个极来估算力矩，对应件是一个磁阻传感元件，它固定在转向机的连接件上。当转动方向盘时，这两个连接件就会按照作用的力矩相对运动。因为磁电极感应转子也会相对于传感元件发生扭转，于是就测量到了转向力矩，并将该信号发送给控制单元。

信号中断的影响：如果转向力矩传感器出现故障，必须更换转向机。识别处有故障时，转向助力功能关闭。这个关闭过程不是突然的，而是“柔和”的。为了能实现“柔和”关闭，控制单元使用电动机的转向角和转向角速度计算出一个转向力矩的替代信号。指示灯K161呈红色亮起就表示出现故障了。

3.转子转速传感器

转子转速传感器是电动机械式助力转向装置电动机V187的一个组件，从外面是看不见的。

图3-29 磁阻效应力矩传感器

信号作用：转子转速传感器是根据磁阻效应来工作的，其结构与转向力矩传感器G269是一样的。该传感器传送的是电动机械式助力转向装置电动机V187转子的转速，该转速信号是精确控制该电动机所必需的。

信号中断的影响：该传感器出现故障时，使用转向角速度来作为替代信号，转向助力功能被安全关闭，以可防止转向助力功能在转子转速传感器失灵时突然关闭。指示灯K161呈红色亮起就表示出现故障了。

4.车速

车速信号由ABS控制单元来提供。

信号中断的影响：车速信号出现故障时，将启动一个应急程序，这时驾驶员仍可使用转向助力功能，但无法使用随速助力转向（Servotronic）功能。指示灯K161呈黄色亮起就表示有这个故障出现。

5.发动机转速传感器G28

如图3-30所示，发动机转速传感器是一个霍尔传感器，它拧在曲轴密封法兰的壳体上。对于转向系统，若有发动机G28的信号输入时，在转向时，发电机工作增加发电量。

信号作用：发动机控制单元根据发动机转速传感器的信号来获知发动机的转速和曲轴的位置信息。

信号中断的影响：如果发动机转速传感器出现故障，那么转向系统通过15号接线柱来工作。该故障不用指示灯K161来显示，如图3-31所示。

6.电动机械式助力转向装置电动机V187

V187是一个无炭刷式异步电动机，它可以产生最大4.1N·m的力矩用于转向助力。异步电动机无永久磁场或电励磁。异步电动机输入电压的频率与电动机转动频率是不同的，这就是“异步”这个名称的由来。

图3-30 发动机转速传感位置

图3-31 仪表动力转向故障灯符号K161

异步电动机结构简单（无炭刷），工作可靠。异步电动机反应快，因此能够满足快速转向反应的要求。该电动机装在一个铝制壳体内，通过一个蜗轮蜗杆机构和一个传动小齿轮与齿条啮合，从而传递用于转向助力的力矩。在轴的控制端有一个磁铁，控制单元使用磁铁来获知转子的转速信号，控制单元使用这个信号来确定转向速度。

信号中断的影响：异步电动机的优点是在不通电的情况下，转向机仍可使电动机转动。就是说，即使该电动机出现故障（也就是无转向助力了），只需再多用点力仍可转动转向装置。即使短路，该电动机也不会锁止。指示灯K161呈红色亮起就表示电动机有这种故障产生。

7.转向助力控制单元J500

转向助力控制单元J500直接固定在电动机上，省去了助力转向装置复杂的管路布置。控制单元根据转向角传感器、发动机转速信号、转向力矩信号、电机转子转速信号、车速信号和点火钥匙识别信号就可以确定出需要多大的转向助力、计算出励磁电流强度的大小并起动电动机V187来工作。

信号中断的影响：该控制单元内集成了一个温度传感器，用来确定转向系统的温度。如果温度超过了100℃，那么助力转向功能逐渐减弱。如果转向助力低于60％，那么指示灯K161就呈黄色亮起，故障存储器内也会记录下一个故障。如果控制单元J500出现故障，必须整体更换。然后需要使用VAS5051来激活控制单元永久存储器内相应的特性曲线族。

8.指示灯K161

指示灯K161位于组合仪表的显示屏上，用于指示电动机械式助力转向装置的故障。在出现故障时，该指示灯会以两种颜色亮起。如果该灯呈黄色亮起，表示警告（不严重故障）；如果该灯呈红色亮起，必须立即去服务站检查。当该灯呈红色亮起时，同时还会响起三声锣音。

在接通点火开关后，该灯呈红色亮起，因为这时电动机械式助力转向装置要进行自检。当助力转向控制单元确定系统工作正常，该指示灯熄灭，这个自检过程大约持续2s。在发动机起动后该指示灯会立即熄灭。

如果牵引车辆，在车速大于7km/h且点火开关接通时，转向助力起作用。转向系统识别出电压过低并对此做出反应，但如果蓄电池电压低于9V，那么转向助力减至关闭状态，且指示灯呈红色亮起。如果电压只是短时降到9V以下，那么指示灯呈黄色亮起。

五、售后服务

1.诊断

电动机械式助力转向装置的元件具有自诊断能力。

2.转向止点的自适应

为了避免电动机转向机运动超过工作范围，需通过软件来对转向角进行限制。这个“软件止点”（也就是缓冲）在机械止点前5°转向角时被激活，于是转向助力力矩就根据转向角和转向力矩进行减小。

在“基本设定”中必须使用VAS5051来清除止点的角位置。这个自适应不需要检测仪就可进行。为此需要用到最新的维修手册和“故障导航”中的详细信息。

［完成任务］请写出图3-32中双小齿轮电动转向系统部件的名称。

图3-32 任务：写出双小齿轮电动转向系统部件名称